一种大厚度调质高强度钢板及其生产方法 【技术领域】
本发明属于金属材料领域，尤其涉及一种大厚度调质高强度钢板及其生产方法。
背景技术
国内工程机械行业用80kg级高强钢大多来自进口如日本WELTEN80C、SUMITEN80、瑞典SUMTIN780、美国A514Gr.B及德国DILLINGER钢铁公司生产的DILLMAX690钢板，德国DILLINGER钢铁公司生产的DILLMAX690钢板，这些进口钢板内C(0.18％)含量较高、Cr(1.50％)、Ni(1.80％)合金含量较高，钢板成本价格上升。上述几种进口钢价格普遍很高。
随着高强钢在国内制造行业中呈现出用量逐渐增大，尤其是我国海洋采油平台用高强度钢板存在着严重的供应紧张问题，长期处于依赖进口的不利局面。国内某些钢铁厂家生产该强度级别的钢板，规格范围普遍较窄，均在60mm以下，无法满足日益增长的厚板市场需求。
【发明内容】
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种成分设计合理、综合性能好、生产成本低的大厚度调质高强度钢板。
同时，本发明的目的还在于提供一种大厚度调质高强度钢板的生产方法。
为了实现上述目的，本发明的技术方案在于采用了一种大厚度调质高强度钢板，主要由下述重量百分含量的化学成分组成：C≤0.18％、Si 0.10～0.40％、Mn≤1.20％、Ni 0.70～1.70％、Cr 1.00～1.50％、Mo 0.40～0.60％、V 0.03～0.08％、Al 0.020～0.040％、B 0.0005～0.002％，余量为Fe和不可避免的杂质。
作为优化，所述不可避免的杂质中的P≤0.025％、S≤0.020％。
进一步，所述的大厚度调质高强度钢板主要由下述重量百分含量的化学成分组成：C 0.15～0.17％、Si 0.15～0.40％、Mn 1.00～1.10％、Ni 1.15～1.25％、Cr 1.10～1.20％、Mo 0.40～0.60％、V 0.050～0.060％、Al 0.020～0.040％、B0.0012～0.0020％，余量为Fe和不可避免的杂质。
作为优化，所述不可避免的杂质中的P≤0.015％、S≤0.006％。
为取得更好的制钢效果，所述的大厚度调质高强度钢板中还可以包含有Nb0.02～0.04％。
所述的大厚度调质高强度钢板厚度为100～114mm。
本发明的大厚度调质高强度钢板采用Cr-Ni-Mo-B系微合金元素复合强化，经过合理的热处理工艺，获得良好的强韧性匹配，同时又不降低厚板的焊接性能。本发明中C含量≤0.18％，高强钢的发展是逐步降低C含量地过程，C含量的降低，一方面有利于提高钢的韧性，另一方面可显著地改善钢的焊接性能，本发明适用需要更高韧性和焊接性能的受力复杂的大型钢结构件；Si含量在0.10～0.40％之间，Si主要以固溶强化形式提高钢的强度，但不可含量过高，以免降低钢的韧性；Mn含量≤1.20％，Mn主要起固溶强化和降低相变温度提高钢板强度的作用，Mn能显著提高钢的淬透性，随Mn含量的增加，钢板的塑性和低温冲击韧性略有下降，强度显著提高；Cr含量在1.0～1.5％，Ni含量在0.70～1.70％，Cr、Ni能增加奥氏体过冷能力，降低马氏体和贝氏体的转变温度，促进马氏体的形成，提高低温冲击韧性和降低冷脆转变温度；Mo含量在0.4～0.6％，B含量在0.0005～0.002％，适量的Mo和B能显著增加钢的淬透性，推迟过冷奥氏体向珠光体转变，通过Mo和B的复合添加，钢板轧后再经过ACC快速冷却，基本可以消除钢中铁素体和珠光体的生成；V含量在0.03～0.08％，V经过II型控轧后，V的C、N化物析出，显著提高钢板的强度；Al含量在0.020～0.040％，Al是脱氧元素，可作为AlN形成元素，有效地细化晶粒；Nb含量为0.02～0.04％，为有效通过控轧工艺实现钢板细晶强化，需加入Nb元素，以达到提高钢板再结晶温度，加热固溶Nb阻止奥氏体晶粒长大，冷却时高温析出Nb的C、N化物，改善钢的强度和韧性，提高钢的淬透性；杂质元素P、S的上限控制在P≤0.025％、S≤0.020％，杂质元素P、S等含量下限不做限制，在工艺设备能力下尽可能降低，以达到钢质纯净，力学性能均匀的目的。
同时，本发明的技术方案还在于提供了一种大厚度调质高强度钢板的生产方法，包括以下步骤：
(1)冶炼工艺：钢水经冶炼后，送入精炼炉精炼，喂Al线600～800m，微调Mn、Mo、Ni、Cr、V含量，大包温度1600～1650℃时吊包真空处理，吊包前调Ti、B，并且进行Ca处理，真空度0.5～1.0乇，真空保持15～25min时破坏真空，解决了钢水单靠Al线脱氧，钢中非金属夹杂物含量较高的现象，保证了钢质的纯净度；
(2)浇铸工艺：保真空破坏后温度在1550～1560℃，随后进行浇铸；
(3)加热工艺：为了避免低合金高强度钢锭表面出现炸裂，钢锭实现温送、温清、温装，装钢前晾炉30～50min，焖钢0.5～1h，同时为了保证合金元素充分固溶、γ晶粒细小，采用低速烧钢，1000℃以下升温速度为80～120℃/h，加热温度范围为1230～1250℃；
(4)轧制工艺：采用II型控轧工艺，第一阶段为奥氏体再结晶阶段，在950～1150℃之间，使奥氏体发生完全再结晶，以细化奥氏体晶粒；第二阶段为奥氏体非再结晶阶段，开轧温度为900～920℃，终轧温度为850～900℃，在这一阶段内，奥氏体晶粒被拉长，在伸长而未再结晶的奥氏体内形成高密度形变孪晶和形变带，同时微合金碳、氮化物因形变诱导析出，因而增加了铁素体的形核位置，细化了铁素体晶粒；
(5)水冷工艺：在线冷却轧制后的钢板，返红温度为700～750℃，钢板下线后堆垛缓冷20～24h，防止钢板内应力来不及释放而形成内裂纹；
(6)调质工艺：钢板进行调质即淬火+回火处理，淬火工艺温度为920～940℃，保温时间为2.3～2.5min/mm，钢板淬火后再进行回火，回火温度为630～640℃，总加热时间为3～4min/mm，取样检验，得到合格的成品钢板。
所述步骤(1)中钢水经电弧炉冶炼，LF精炼炉精炼，VD炉真空处理；步骤(2)中采用27.6T扁锭模进行浇铸，保证大厚度、大单重钢板有足够的压下量和成材原料；步骤(5)中轧制后的钢板在ACC快速冷却装置中进行在线冷却；从淬火的经济性考虑，步骤(6)中淬火的冷却介质为水。
所述步骤(1)中Ca处理是在真空前加入SiCa块100～150kg。
所述步骤(4)中第一阶段道次压下率为8～25％，累计压下率≥70％；第二阶段压下率应在10％～20％，累计压下率≥50％。
经检测，本发明的钢板的力学性能达到下列要求：Rp0.2≥670MPa，Rm≥730MPa，A≥16％，板厚1/4处-40℃纵向冲击功AKV≥34J，板厚1/2处-27℃纵向冲击功AKV≥34J。碳当量Ceq≤0.79％，具有良好的焊接性能。较低的屈强比，一般达到≤0.90，实际均小于0.85。
本发明钢板具有优良的综合性能，力学性能完全满足海洋采油平台行业对114mm厚A514GrQ钢的标准要求，强度和冲击韧性有相当大的富裕量，不仅适合于海洋采油平台行业结构件制造使用，也可广泛推广应用于电站、工程支架及其它行业，具有很好的应用前景。
本发明具有以下优点：
(1)本发明钢由于采用电炉冶炼，P≤0.015％，S≤0.006％，因此钢质更纯净；
(2)本发明碳当量低，保证了钢板良好的焊接性能；
(3)本发明钢因加入的贵重金属含量少，既满足钢板强韧性需求，又起到节约合金，降低成本的作用，具有强大的市场竞争力；
(4)钢板厚度大，最大厚度可达到114mm，可用于代替进口产品，填补国内市场空白，满足国内、外采油平台不断增长厚板市场用量的需求；
(5)强度级别高，达到800Mpa级别，保证钢结构的支撑能力；
(6)抗层状撕裂性能良好，全厚度方向Z≥35％；
(7)较低的屈强比，实际均小于0.85；
(8)板厚1/4处-40℃和板厚1/2处-27℃低温韧性良好；
(9)钢板板型良好，不平度达到≤5mm/m，可减少制作方的制作钢板矫平费用50元/吨。
【具体实施方式】
实施例1
一种大厚度调质高强度钢板，由下述重量百分含量的化学成分组成：C0.16％、Si 0.22％、Mn 1.03％、Ni 1.18％、Cr 1.13％、Mo 0.52％、V 0.053％、Al0.028％、B 0.0013％、Nb 0.033％、P 0.011％、S 0.003％，余量为Fe及不可避免的夹杂。Ceq为0.75％，轧制成114mm钢板。
该钢板的生产方法如下：
(1)冶炼工艺：本成分设计的钢水经超高功率电弧炉冶炼，熔化期采用大渣量流渣操作，送入LF精炼炉精炼，并喂Al线700m，大包温度1635℃时，吊包VD炉真空处理，真空前加入SiCa块140kg，真空度0.7乇，真空保持20min时破坏真空，解决了钢水单靠Al线脱氧、钢中非金属夹杂物含量较高的现象，保证了钢质的纯净度。
(2)浇铸工艺：保真空破坏后温度在1555℃，然后采用27.6T扁锭模进行浇铸，保证大厚度、大单重钢板有足够的压下量和成材原料。
(3)加热工艺：为了避免低合金高强度钢锭表面出现炸裂，钢锭实现温送、温清、温装，装钢前晾炉45min，焖钢0.9h，为保证合金元素充分固溶、γ晶粒细小，采用低速烧钢，1000℃以下升温速度为90℃/h，最高加热温度为1245℃。
(4)轧制工艺：采用II型控轧工艺，第一阶段为奥氏体再结晶阶段，在1110～1130℃之间，此阶段道次压下率为20～23％，累计压下率85％，使奥氏体发生完全再结晶，以细化奥氏体晶粒；第二阶段为奥氏体非再结晶阶段，开轧温度为915℃，终轧温度为860℃，在这一阶段内，奥氏体晶粒被拉长，在伸长而未再结晶的奥氏体内形成高密度形变孪晶和形变带，同时微合金碳、氮化物因形变诱导析出，因而增加了铁素体的形核位置，细化了铁素体晶粒，此阶段压下率应在18～20％，累计压下率为80％；
(5)水冷工艺：经轧制后的钢板在ACC快速冷却装置进行在线冷却，返红温度为740℃；钢板下线后堆垛缓冷23小时，防止钢板内应力来不及释放而形成内裂纹；
(6)热处理工艺：钢板进行调质(淬火+回火)处理，淬火工艺：选择水作为冷却介质，淬火温度为928℃，保温时间为2.45min/mm，钢板淬火后再进行回火，回火温度为638℃，总加热时间为4min/mm。
其力学性能：屈服强度：750MPa，抗拉强度：830MPa，A为21％，板厚1/4处-40℃冲击功AKV(纵向)149、121、182J，板厚1/2处-27℃冲击功AKV(纵向)130、167、135J，冷弯试验D＝3a，180°完好。
实施例2
一种大厚度调质高强度钢板，由下述重量百分含量的化学成分组成：C0.15％、Si 0.40％、Mn 1.1％、Ni 0.7％、Cr 1.2％、Mo 0.60％、V 0.05％、Al 0.040％、B 0.002％、Nb 0.02％、P 0.025％、S 0.02％，余量为Fe及不可避免的夹杂。Ceq为0.75％，轧制成112mm钢板。
该钢板的生产方法如下：
(1)冶炼工艺：本成分设计的钢水经超高功率电弧炉冶炼，熔化期采用大渣量流渣操作，送入LF精炼炉精炼，并喂Al线800m，大包温度1650℃时，吊包VD炉真空处理，真空前加入SiCa块150kg，真空度1.0乇，真空保持15min时破坏真空，解决了钢水单靠Al线脱氧、钢中非金属夹杂物含量较高的现象，保证了钢质的纯净度。
(2)浇铸工艺：保真空破坏后温度在1560℃，然后采用27.6T扁锭模进行浇铸，保证大厚度、大单重钢板有足够的压下量和成材原料。
(3)加热工艺：为了避免低合金高强度钢锭表面出现炸裂，钢锭实现温送、温清、温装，装钢前晾炉50min，焖钢1h，为保证合金元素充分固溶、γ晶粒细小，采用低速烧钢，1000℃以下升温速度为120℃/h，最高加热温度为1250℃。
(4)轧制工艺：采用II型控轧工艺，第一阶段为奥氏体再结晶阶段，在1100～1150℃之间，此阶段道次压下率为22～25％，累计压下率为90％，使奥氏体发生完全再结晶，以细化奥氏体晶粒；第二阶段为奥氏体非再结晶阶段，开轧温度为920℃，终轧温度为900℃，在这一阶段内，奥氏体晶粒被拉长，在伸长而未再结晶的奥氏体内形成高密度形变孪晶和形变带，同时微合金碳、氮化物因形变诱导析出，因而增加了铁素体的形核位置，细化了铁素体晶粒，此阶段压下率应在18～20％，累计压下率为70％；
(5)水冷工艺：经轧制后的钢板在ACC快速冷却装置进行在线冷却，返红温度为750℃；钢板下线后堆垛缓冷24小时，防止钢板内应力来不及释放而形成内裂纹；
(6)热处理工艺：钢板进行调质(淬火+回火)处理，淬火工艺：选择水作为冷却介质，淬火温度为930℃，保温时间为2.5min/mm，钢板淬火后再进行回火，回火温度为640℃，总加热时间为3.5min/mm。
其力学性能：屈服强度：760MPa，抗拉强度：820MPa，A为16％，板厚1/4处-40℃冲击功AKV(纵向)130、105、122J，板厚1/2处-27℃冲击功AKV(纵向)120、180、130J，冷弯试验D＝3a，180°完好。
实施例3
一种大厚度调质高强度钢板，由下述重量百分含量的化学成分组成：C0.18％、Si 0.10％、Mn 1.2％、Ni 1.15％、Cr 1.00％、Mo 0.40％、V 0.03％、Al 0.020％、B 0.0005％、Nb 0.04％、P 0.015％、S 0.006％，余量为Fe及不可避免的夹杂。Ceq为0.74％，轧制成108mm钢板。
该钢板的生产方法如下：
(1)冶炼工艺：本成分设计的钢水经超高功率电弧炉冶炼，熔化期采用大渣量流渣操作，送入LF精炼炉精炼，并喂Al线600m，大包温度1600℃时，吊包VD炉真空处理，真空前加入SiCa块100kg，真空度0.6乇，真空保持18min时破坏真空，解决了钢水单靠Al线脱氧、钢中非金属夹杂物含量较高的现象，保证了钢质的纯净度。
(2)浇铸工艺：保真空破坏后温度在1550℃，然后采用27.6T扁锭模进行浇铸，保证大厚度、大单重钢板有足够的压下量和成材原料。
(3)加热工艺：为了避免低合金高强度钢锭表面出现炸裂，钢锭实现温送、温清、温装，装钢前晾炉30min，焖钢0.5h，为保证合金元素充分固溶、γ晶粒细小，采用低速烧钢，1000℃以下升温速度为80℃/h，最高加热温度为1230℃。
(4)轧制工艺：采用II型控轧工艺，第一阶段为奥氏体再结晶阶段，在950～1000℃之间，此阶段道次压下率为8～10％，累计压下率为70％，使奥氏体发生完全再结晶，以细化奥氏体晶粒；第二阶段为奥氏体非再结晶阶段，开轧温度为900℃，终轧温度为850℃，在这一阶段内，奥氏体晶粒被拉长，在伸长而未再结晶的奥氏体内形成高密度形变孪晶和形变带，同时微合金碳、氮化物因形变诱导析出，因而增加了铁素体的形核位置，细化了铁素体晶粒，此阶段压下率应在10～12％，累计压下率为50％；
(5)水冷工艺：经轧制后的钢板在ACC快速冷却装置进行在线冷却，返红温度为700℃；钢板下线后堆垛缓冷20小时，防止钢板内应力来不及释放而形成内裂纹；
(6)热处理工艺：钢板进行调质(淬火+回火)处理，淬火工艺：选择水作为冷却介质，淬火温度为920℃，保温时间为2.3min/mm，钢板淬火后再进行回火，回火温度为630℃，总加热时间为3min/mm。
其力学性能：屈服强度：755MPa，抗拉强度：823MPa，A为20％，板厚1/4处-40℃冲击功AKV(纵向)140、111、176J，板厚1/2处-27℃冲击功AKV(纵向)133、170、138J，冷弯试验D＝3a，180°完好。
实施例4
一种大厚度调质高强度钢板，由下述重量百分含量的化学成分组成：C0.17％、Si 0.15％、Mn 0.5％、Ni 1.25％、Cr 1.10％、Mo 0.50％、V 0.08％、Al 0.031％、B 0.0016％、P 0.014％、S 0.005％，余量为Fe及不可避免的夹杂。Ceq为0.67％，轧制成105mm钢板。
该钢板的生产方法如下：
(1)冶炼工艺：本成分设计的钢水经超高功率电弧炉冶炼，熔化期采用大渣量流渣操作，送入LF精炼炉精炼，并喂Al线750m，大包温度1610℃时，吊包VD炉真空处理，真空前加入SiCa块130kg，真空度0.8乇，真空保持23min时破坏真空，解决了钢水单靠Al线脱氧、钢中非金属夹杂物含量较高的现象，保证了钢质的纯净度。
(2)浇铸工艺：保真空破坏后温度在1558℃，然后采用27.6T扁锭模进行浇铸，保证大厚度、大单重钢板有足够的压下量和成材原料。
(3)加热工艺：为了避免低合金高强度钢锭表面出现炸裂，钢锭实现温送、温清、温装，装钢前晾炉40min，焖钢0.8h，为保证合金元素充分固溶、γ晶粒细小，采用低速烧钢，1000℃以下升温速度为100℃/h，最高加热温度为1240℃。
(4)轧制工艺：采用II型控轧工艺，第一阶段为奥氏体再结晶阶段，在1100～1120℃之间，此阶段道次压下率为15～20％，累计压下率为80％，使奥氏体发生完全再结晶，以细化奥氏体晶粒；第二阶段为奥氏体非再结晶阶段，开轧温度为910℃，终轧温度为880℃，在这一阶段内，奥氏体晶粒被拉长，在伸长而未再结晶的奥氏体内形成高密度形变孪晶和形变带，同时微合金碳、氮化物因形变诱导析出，因而增加了铁素体的形核位置，细化了铁素体晶粒，此阶段压下率应在15～18％，累计压下率为60％；
(5)水冷工艺：经轧制后的钢板在ACC快速冷却装置进行在线冷却，返红温度为730℃；钢板下线后堆垛缓冷22小时，防止钢板内应力来不及释放而形成内裂纹；
(6)热处理工艺：钢板进行调质(淬火+回火)处理，淬火工艺：选择水作为冷却介质，淬火温度为925℃，保温时间为2.4min/mm，钢板淬火后再进行回火，回火温度为635℃，总加热时间为3.2min/mm。
其力学性能：屈服强度：760MPa，抗拉强度：840MPa，A为22％，板厚1/4处-40℃冲击功AKV(纵向)155、131、193J，板厚1/2处-27℃冲击功AKV(纵向)132、169、140J，冷弯试验D＝3a，180°完好。
实施例5
一种大厚度调质高强度钢板，由下述重量百分含量的化学成分组成：C0.12％、Si 0.13％、Mn 1.0％、Ni 1.7％、Cr 1.5％、Mo 0.4％、V 0.06％、Al 0.037％、B 0.0009％、P 0.010％、S 0.008％，余量为Fe及不可避免的夹杂。Ceq为0.79％，轧制成100mm钢板。
该钢板的生产方法如下：
(1)冶炼工艺：本成分设计的钢水经超高功率电弧炉冶炼，熔化期采用大渣量流渣操作，送入LF精炼炉精炼，并喂Al线650m，大包温度1625℃时，吊包VD炉真空处理，真空前加入SiCa块120kg，真空度0.5乇，真空保持25min时破坏真空，解决了钢水单靠Al线脱氧、钢中非金属夹杂物含量较高的现象，保证了钢质的纯净度。
(2)浇铸工艺：保真空破坏后温度在1553℃，然后采用27.6T扁锭模进行浇铸，保证大厚度、大单重钢板有足够的压下量和成材原料。
(3)加热工艺：为了避免低合金高强度钢锭表面出现炸裂，钢锭实现温送、温清、温装，装钢前晾炉35min，焖钢0.6h，为保证合金元素充分固溶、γ晶粒细小，采用低速烧钢，1000℃以下升温速度为110℃/h，最高加热温度为1235℃。
(4)轧制工艺：采用II型控轧工艺，第一阶段为奥氏体再结晶阶段，在970～1115℃之间，此阶段道次压下率为10～13％，累计压下率为75％，使奥氏体发生完全再结晶，以细化奥氏体晶粒；第二阶段为奥氏体非再结晶阶段，开轧温度为905℃，终轧温度为890℃，在这一阶段内，奥氏体晶粒被拉长，在伸长而未再结晶的奥氏体内形成高密度形变孪晶和形变带，同时微合金碳、氮化物因形变诱导析出，因而增加了铁素体的形核位置，细化了铁素体晶粒，此阶段压下率应在13～15％，累计压下率为57％；
(5)水冷工艺：经轧制后的钢板在ACC快速冷却装置进行在线冷却，返红温度为720℃；钢板下线后堆垛缓冷21小时，防止钢板内应力来不及释放而形成内裂纹；
(6)热处理工艺：钢板进行调质(淬火+回火)处理，淬火工艺：选择水作为冷却介质，淬火温度为923℃，保温时间为2.35min/mm，钢板淬火后再进行回火，回火温度为632℃，总加热时间为3.8min/mm。
其力学性能：屈服强度：743MPa，抗拉强度：810MPa，A为18％，板厚1/4处-40℃冲击功AKV(纵向)102、121、153J，板厚1/2处-27℃冲击功AKV(纵向)112、132、120J，冷弯试验D＝3a，180°完好。
最后所应说明的是：以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。